magnezyum esaslı yeni nesil nimh pili negatif elektrot...
TRANSCRIPT
Magnezyum Esaslı Yeni Nesil
NiMH Pili Negatif Elektrot Malzemesi Üretimi
Cavit EYÖVGE (ODTÜ Metalurji ve Malzeme Mühendisliği)
Akademik Danışman: Prof. Dr. Tayfur ÖZTÜRK (ODTÜ Metalurji ve Malzeme Mühendisliği) Sanayi Danışmanı: Dr. Serdar ERKAN (ERDES Teknoloji Kimya)
Kaynakça1. Fetcenko, M. A., Ovshinsky, S. R., Reichman, B., Young, K., Fierro, C., Koch, J., . . . Ouchi, T. (2007). Recent advances in NiMH battery technology. Journal of Power
Sources, 165(2), 544-551. doi:10.1016/j.jpowsour.2006.10.036
2. Energizer Nickel Metal Hydride (NiMH) Handbook and Application Manual. (2010). Retrieved June 22, 2014, from
http://data.energizer.com/PDFs/nickelmetalhydride_appman.pdf
3. GP Batteries - NiMH battery Technology. (2011). Retrieved June 22, 2014, from
http://www.gpbatteries.com/INT/index.php?option=com_k2&view=item&id=386:nimh&Itemid=590
4. Schlapbach, L. (2009). Technology: Hydrogen-fuelled vehicles. Nature, 460, 809-811. doi:10.1038/460809a
5. Liu, Y., Gao, M., & Wang, Q. (2010). Advanced hydrogen storage alloys for Ni/MH rechargeable batteries. Journal Materials Chemistry, 21, 4743-4755.
doi:10.1039/c0jm01921f
6. Schlapbach, L., & Züttel, A. (2001). Hydrogen-storage materials for mobile applications. Nature, 414(15), 353-358
Bu proje TÜBİTAK 2241/A Sanayi Odaklı Lisans Bitirme Tezi Destekleme Programı kapsamında desteklenmektedir.
Sonuçlar
Negatif elektrot olarak kullanımın önüne geçen düşük
reaksiyon kinetiği mekanik alaşımlama metodu ile
giderilmeye çalışılmış ve Mg-Ni alaşımı üretilmiştir. Bu işlem
halen amorf alaşım elde etme doğrultusunda devam
etmektedir.
Üretilen Mg-Ni alaşımı karbon bir kabuk içerisine alınarak
alaşımın korozyon direnci iyileştirilmeye çalışılmıştır.
Alaşım için teorik hidrojen depolama kapasitesinin kütlece
%3,2 olarak beklenmektedir.
Magnezyumun NiMH pili içerisinde negatif elektrot malzemesi
olarak kullanılması doğrultusunda önemli mesafe kat
edilmiştir.
Gerek amorf alaşım gerekse korozyonun engellenmesi
doğrultusunda yapılacak çalışmalara yüksek lisans tezi
çerçevesinde devam edilmesi planlanmıştır.
NiMH Piller
Piller genel olarak kullan-at tipi ve şarj edilebilir olmak üzere
iki kategoride incelenir. NiMH piller bu kategoriler içerisinden
şarj edilebilir piller arasında yer almaktadır.[1]
NiMH piller doğaya ve çevreye zararlı maddeler içermezler.
Güvenli, çevre dostu ve uzun ömürlüdürler. Maliyet olarak
da NiMH piller kullan-at türü pillerden daha avantajlıdırlar.[3]
Çalışmanın Amacı
ODTÜ Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Bölümü Enerji
Depolama Malzemeleri Laboratuvarı’nda gerçekleştirilen bu
çalışmada NiMH pilleri için negatif elektrot malzemesi
geliştirilmesi hedeflenmiştir. Çalışmanın amacı bu pillerde
kullanılan ‘’La‘’ esaslı AB5 veya ‘’Ti‘’ esaslı AB2 bileşiklerinden
daha yüksek kapasiteli, uzun ömürlü, güvenilir ve ucuz
elektrot malzemesi geliştirilmesidir.
Magnezyum ve Pil
Magnezyum doğada en çok bulunan dördüncü elementtir.
Kristal yapısı hekzagonal sıkı paket olan magnezyum en hafif
metallerden biri olma özelliğiyle de önem kazanmıştır.
Magnezyum Esaslı Negatif Elektrot
Malzemesi Üretim Süreci
Magnezyumun direkt olarak NiMH pillerinde negatif elektrot
malzemesi olarak kullanılmasının önünde iki temel engel
mevcuttur. Bu engeller magnezyumun hidrojen
depolama/boşaltım reaksiyonlarının çok yavaş
gerçekleşmesi ve düşük korozyon direnci olarak
sıralanabilir.[6] Bu çalışmada mekanik alaşımlama ve yüzey
kaplama işlemleri ile bu engeller aşılmaya çalışılmıştır.
Şekil 2. NiMH pillerinde metal hidrür
oluşumu. Oluşan hidrür yapısı deşarj
sırasında tekrar metalik forma
dönmektedir. (Schlapbach, 2009, p. 811,
doi:10.1038/460809a)
Kullanım ömrü göz önüne
alındığında 1 adet NiMH
pili 750 adet kullan-at pil
ile eşdeğer süre boyunca
aktif olarak kullanılabilir.[2]
Şekil 1. Magnezyum kristal yapısı
(HCP).
NiMH pilleri metallerin geri
dönüştürülebilir hidrürlenme reaksiyonu
ile çalışmaktadır. Atomik hidrojen metal
hidrür oluşumu sırasında metalde
depolanmakta, böylelikle pilin şarj
edilmesi sağlanmaktadır. Deşarj
sırasında ise metal hidrür tekrar
metalik forma dönmekte ve pilden
enerji eldesi mümkün olmaktadır.[4]
NiMH pillerde de negatif elektrot
hidrojen depolayıcı bir alaşımdır
ve negatif elektrodun hidrojen
depolama kapasitesi toplam pil
kapasitesini belirler. Magnezyum
kütlece %7,6 miktarında hidrojen
depolayabilme özelliğine sahiptir.
Mevcut NiMH pillerinde ise
negatif elektrot kütlece %1,3
hidrojen depolayabilmekte, bu
sebeple de düşük bir enerji
yoğunluğu vermektedir.[5]
Şekil 3. NiMH pili çalışma prensibi. Negatif elektrot
hidrojen depolayıcı alaşımdan, pozitif elektrot ise
Ni(OH)2 malzemesinden oluşmaktadır. (Liu, Gao, &
Wang, 2010, p. 4745, doi:10.1039/c0jm01921f)
NiMH pillerde mevcut
negatif elektrot malzemesi
yerine magnezyumun
kullanılması durumunda
pil kapasitesi beş kat
artacaktır. Bu artışla
birlikte NiMH piller çok
daha geniş bir yelpazede
kullanılabilecektir.
Mekanik alaşımlama
yönteminde magnezyum
(≤100mm - MERCK) ve
nikel (≈45mm - Höganäs)
tozları bilyalı değirmen ile
(Retsch PM400-MA
Type) öğütülerek (Mg-Ni)
hidrürlenme kinetikleri
geliştirilmeye çalışılmıştır.
Şekil 4. Mekanik alaşımlama sonrası elde edilen tozun
X ışınları kırınımı deseni (Rigaku Ultima IV). Mg ve Ni
tozların kütlesel dağılımı Rietveld analizine göre %70
Ni - %30 Mg şeklindedir. Bu oran atomik olarak %50
Ni - %50 Mg olarak belirtilebilir.
NiMH pili içerisinde kullanılacak
alaşım elde edildikten sonra
organik esaslı karbon
kaynaklarının pirolizi yöntemi
kullanılarak alaşım tozları
karbon kabuk içerisine
alınmıştır (C@Mg-Ni). Çalışma
süresince karbon kaynağı
olarak sitrik asit
(SigmaAldrich) kullanılmıştır.
Kaplama sonrasında karbon
tabakanın etkinliği korozyon
reaksiyonu ürünü olan gazın
hacmi ölçülerek belirlenmeye
çalışılmıştır.
Şekil 5. Atmosfer kontrollü karbon kaplama
reaktörü. Sistem asal gaz ile beslenip oksidatif
atmosfer oluşumu engellenmektedir.
Şekil 6. Alaşımın karbon kaplama öncesi (sol)
ve sonrası (sağ). Karbon kaplı tozlar hidrofilik
kaplama tabakaları sayesinde sıvı içerisinde
batmamaktadırlar.
Şekil 7. Mekanik alaşımlama sonrası elde edilen ürünün taramalı elektron mikroskobu (SEM – FEI Nova
NanoSEM) görüntüleri. Son ürünün parçacık boyutu ortalama 20 mikron seviyesindedir.
Şekil 8. Üretilen tozların karbon kaplama
öncesi ve sonrasındaki korozyon davranışı
için kurulan gaz toplama düzeneği.
Korozyon sırasında Mg’nin MgO’ya
dönüşen miktarı toplanan gaz hacmi
yardımıyla hesaplanabilmektedir.
Toz Cinsi Toz
Miktarı
Toplanan
Gaz
Saf Mg 6 gr. ≥ 83 ml.
MgNi 6 gr. ≤ 13 ml.
C@MgNi 6 gr. 0 ml.
Çizelge 1. Korozyon testi sonuçları. Karbon
kaplama işlemi görmeyen tozlar yüksek oranda
korozyona maruz kaldığı için daha fazla gaz
oluşumu tespit edilmiştir.
Magnezyumun alkalin ortamdaki
korozyon reaksiyonu:
𝟐𝑲𝑶𝑯(𝒔) + 𝟐𝑴𝒈(𝒔) → 𝟐𝑴𝒈𝑶(𝒔) +𝑲𝟐(𝒔) +𝑯𝟐(𝒈)